地震災(zāi)區(qū)新建蒲虹公路棄土泥石流成災(zāi)特征與防治建議

崔純純,陳寧生,王元?dú)g,謝萬(wàn)銀

(1.中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司,上海 200070; 2.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041; 3.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041)

地震災(zāi)區(qū)新建蒲虹公路棄土泥石流成災(zāi)特征與防治建議

崔純純1,陳寧生2,3,王元?dú)g2,3,謝萬(wàn)銀2,3

(1.中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司,上海 200070; 2.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041; 3.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041)

蒲虹公路是地震災(zāi)區(qū)的一條災(zāi)后新建公路。公路外邊坡堆放有大量的棄土,在強(qiáng)降雨的作用下易轉(zhuǎn)化為泥石流。此類現(xiàn)象受到研究者的關(guān)注。本文通過對(duì)棄土場(chǎng)的分布、組成及成災(zāi)特征的研究,提出了科學(xué)合理的處理方法。棄土泥石流形成模式包括:(1)溝道內(nèi)棄土場(chǎng)在溝道洪水侵蝕作用下產(chǎn)生泥石流或土體溜滑形成泥石流;(2)坡面上棄土場(chǎng)滑動(dòng),表面液化形成局部坡面泥石流;(3)溝道兩側(cè)棄土場(chǎng)的基腳被侵蝕,形成滑坡堵河后潰決形成泥石流。棄土泥石流的成災(zāi)特征主要為棄土泥石流翻越擋墻或摧毀擋墻,堵塞涵洞或排水口,淤埋公路,威脅居民點(diǎn)等,它的處置需要特別注意排水,并平整壓實(shí),恢復(fù)生態(tài)。

泥石流;棄土;工程治理;公路

汶川地震災(zāi)區(qū)道路毀損嚴(yán)重,為了保障虹口旅游景區(qū)公路暢通,上海援建指揮部特新建都江堰蒲陽(yáng)至虹口公路。該公路是汶川地震災(zāi)區(qū)的一條新建公路,公路全長(zhǎng)26km,沿線分布有20個(gè)棄土場(chǎng),其中有發(fā)生泥石流災(zāi)害或存在發(fā)生隱患的棄土場(chǎng)14個(gè)。棄土場(chǎng)在降雨作用下,大量棄土失穩(wěn)破壞并轉(zhuǎn)化為泥石流,泥石流沖毀原有的攔擋工程,淤埋道路,堵塞排水通道,嚴(yán)重影響災(zāi)區(qū)公路的建設(shè)并威脅部分地區(qū)居民的安全。為此,筆者特別針對(duì)該路段棄土引發(fā)的泥石流成災(zāi)特征與防治策略進(jìn)行研究,為災(zāi)后重建中的類似工程提供防災(zāi)減災(zāi)經(jīng)驗(yàn)。

棄土棄渣泥石流災(zāi)害問題十分嚴(yán)重,如2004年6月6日,重慶萬(wàn)盛區(qū)煤礦煤矸石爆炸導(dǎo)致山體滑坡,并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為泥石流,導(dǎo)致21人死亡和失蹤; 2008年9月8日,山西省臨汾市襄汾縣陶寺鄉(xiāng)塔山礦區(qū)因暴雨發(fā)生泥石流,泥石流沖垮該礦廢棄尾礦庫(kù),造成128人死亡,35人受傷。棄土棄渣泥石流研究一直是學(xué)者關(guān)注的重要問題。部分學(xué)者曾對(duì)棄土棄渣泥石流形成規(guī)律做了研究[1],另外一些學(xué)者對(duì)松散礫石土體啟動(dòng)形成泥石流進(jìn)行了大量研究[2～6]。然而蒲虹公路沿線棄土的細(xì)顆粒含量很高,且該區(qū)域長(zhǎng)期的強(qiáng)降雨使土體長(zhǎng)期處于高含水狀態(tài),特別是汶川地震后余震不斷影響使得此區(qū)域的泥石流具有特殊性,值得研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)特征

蒲虹公路是都江堰市蒲陽(yáng)鎮(zhèn)與虹口鄉(xiāng)的第二交通要道,中段地區(qū)出露地層主要為中泥盆系觀霧山組的中厚層石灰?guī)r,西側(cè)K22以西及東側(cè)K9以東為三疊系須家河組的砂泥巖。區(qū)域內(nèi)石灰?guī)r和碎屑巖交界處發(fā)育2條斷層,道路經(jīng)過區(qū)為一背斜構(gòu)造,道路西側(cè)與都江堰-北川斷裂相鄰(圖1)。

圖1 蒲虹公路區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Geologicalmap near the Puyang-Hongkou highway

1.2 構(gòu)造與地震

本區(qū)構(gòu)造上位于華夏系龍門山褶皺帶東南緣與新華夏系四川沉降帶的斜接部位,地震活動(dòng)十分頻繁。5 a發(fā)生M s>2.0級(jí)地震共103次,其中有震感和強(qiáng)烈震感地震18次,境外波及本區(qū)的地震12次。2008年以前,境內(nèi)發(fā)生4.0級(jí)以上地震共3次,即1787年12月13日都江堰市東4.7級(jí)地震、1986年11月10日虹口4.2級(jí)地震和1993年12月30日崇義-土橋4.4級(jí)地震。從各種資料分析可知,蒲虹公路附近的斷層在第三紀(jì)以來活動(dòng)較強(qiáng),實(shí)地評(píng)估2008年以前該地區(qū)50年超越概率為10%的地震烈度為Ⅶ度。

1.3 降雨特征

區(qū)域降雨十分豐富,年降雨量達(dá)1200 mm以上,2001年9～10月連續(xù)降雨達(dá)40多天,2009年7月17日局地暴雨量達(dá)到220 mm/3 h。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生,1964年以來二王廟滑坡多次活動(dòng), 2001年的長(zhǎng)降雨作用使靈巖寺一帶大面積滑坡, 2001～2006年繞壩路多次發(fā)生滑坡泥石流災(zāi)害。

2 棄土場(chǎng)分布與規(guī)模

蒲虹公路沿線的棄土場(chǎng)主要分布于3種地貌區(qū),即溝道、坡地和溝道兩側(cè)坡地(圖2)。由于棄土規(guī)模都不大,僅少數(shù)棄土場(chǎng)(3#、6#)的設(shè)計(jì)庫(kù)容達(dá)到20×104m3,其余均小于10×104m3。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),棄土場(chǎng)的實(shí)際棄土量均小于10×104m3(表1)。

圖2 蒲虹公路沿線棄土場(chǎng)分布圖Fig.2 Distribution map of spoil ground along the Puyang-Hongkou highway

表1 蒲虹公路棄土場(chǎng)一覽表Table 1 Parameter of spoil ground along the Puyang-Hongkou highway

3 棄土泥石流形成模式與成災(zāi)特征

3.1 棄土泥石流形成模式

棄土場(chǎng)顆粒組成差異較大,以6#棄土場(chǎng)為例,其大于2 mm小于60 mm的礫石組含量不高,小于2 mm的砂粒含量很高,屬寬級(jí)配土體(圖3),有利于泥石流的啟動(dòng)。級(jí)配較粗的土體,孔隙率較高,土體滲透率大,難以形成較大的孔隙水壓力;級(jí)配較細(xì)的土體,孔隙率低,土體滲透率小,滲透壓力不足以侵蝕并搬運(yùn)土體內(nèi)的粘土顆粒,使得土體的抗剪強(qiáng)度不能有效降低;只有合適的寬級(jí)配土體,既能保證土體孔隙壓力的增加,又能使土體內(nèi)的粘土顆粒被侵蝕,這二者的相互作用使得土體的抗剪強(qiáng)度大大降低,促使土體發(fā)生滑動(dòng)。

圖3 公路棄土顆分曲線圖Fig.3 Particle size distribution curve for the discarding soil

土體粘粒含量對(duì)土體轉(zhuǎn)為泥石流具有重要影響,具有一定粘土顆粒含量(最有利的粘粒含量為5.00%～10.00%)的寬級(jí)配棄土具有轉(zhuǎn)化為泥石流的危險(xiǎn)性[3]。棄土的天然密度或干密度普遍較小,強(qiáng)度較低,在降雨作用下,容易濕陷收縮,同時(shí)土體中的粘粒吸水膨脹并阻塞孔隙,使孔壓增加且長(zhǎng)時(shí)間不消散,同時(shí)土體內(nèi)的粘土顆粒被侵蝕,土體強(qiáng)度大大降低,促使土體發(fā)生滑動(dòng)并在滑動(dòng)中液化產(chǎn)生泥石流。棄土產(chǎn)生泥石流的危險(xiǎn)性由區(qū)域地質(zhì)、地形地貌、降水、土質(zhì)、土體數(shù)量、土體坡度、溝道、坡面水文條件和棄土場(chǎng)規(guī)模影響和控制。不同的棄土堆積場(chǎng)所,其成災(zāi)的方式不同。棄土場(chǎng)主要有3類:溝道、坡面和溝道兩側(cè)。不同的堆積場(chǎng)所其形成模式不同:(1)對(duì)于溝道內(nèi)的棄土場(chǎng),其形成模式主要表現(xiàn)為在溝道洪水侵蝕作用下產(chǎn)生泥石流或土體溜滑形成泥石流;(2)對(duì)于坡面上的棄土場(chǎng),其形成模式主要是坡面上棄土場(chǎng)滑動(dòng),表面液化形成局部坡面泥石流;(3)對(duì)于堆積于溝道兩側(cè)的棄土場(chǎng),形成模式主要是溝道兩側(cè)棄土場(chǎng)的基腳被侵蝕,形成滑坡堵河后潰決形成泥石流。

3.2 棄土泥石流成災(zāi)特征

棄土泥石流翻越擋墻或摧毀擋墻,堵塞涵洞或排水口,淤埋公路,威脅居民點(diǎn)。蒲虹公路沿線的多個(gè)棄土場(chǎng)曾多次發(fā)生泥石流災(zāi)害(表2)。6#棄土場(chǎng)坡面前半段平均坡度28.6°,2009年7月17日,棄土形成的泥石流翻越原來的擋墻(圖4);11#棄土場(chǎng)2009年7月17日形成坡面泥石流,威脅下游居民、公路和橋涵(圖5);李家山棄土場(chǎng)的棄土泥石流翻越擋墻,同時(shí),使原有擋墻開裂(圖6);13#棄土場(chǎng)泥石流自從2010年2月堆土以來,棄土泥石流不斷向下流動(dòng),2010年3月28日棄土淤埋公路,淤積排水隧洞。

表2 典型棄土場(chǎng)泥石流危險(xiǎn)性特征Table 2 Risk characteristics of debris flow s in typical spoil ground

圖4 6#棄土場(chǎng)全貌Fig.4 Overall perspective of the 6 th spoil ground

圖5 11#棄土場(chǎng)下部Fig.5 Lower partsof the 11 th spoil ground

圖6 李家山棄土場(chǎng)老壩開裂Fig.6 The old dam in Lijiashan spoil ground has cracked

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)棄土泥石流的易發(fā)性應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行評(píng)價(jià)。其危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)應(yīng)考慮對(duì)下游居民、道路以及旅游設(shè)施的影響,劃定危險(xiǎn)區(qū)范圍,確定危害對(duì)象,進(jìn)行危險(xiǎn)性分級(jí)。采用的攔擋工程需要進(jìn)行工程穩(wěn)定性計(jì)算和評(píng)估,避免潰決。

棄土場(chǎng)泥石流的形成模式分為3類:堆積于溝道區(qū)的棄土其危害方式主要為溝道洪水侵蝕作用下產(chǎn)生泥石流或土體溜滑形成泥石流;堆積于坡面上的棄土的主要危害為土體滑動(dòng)并液化產(chǎn)生泥石流;堆積于溝道兩側(cè)的棄土的危害主要為崩塌滑坡堵河后潰決形成泥石流。

5 防治建議

(1)依據(jù)棄土場(chǎng)的危險(xiǎn)性和位置特征進(jìn)行分類防治:對(duì)于危險(xiǎn)性較大的棄土場(chǎng),需要注意處置。堆積于溝道內(nèi)的棄土場(chǎng)由于存在轉(zhuǎn)化為泥石流的危害,應(yīng)實(shí)行總量控制,并采用以攔為主,攔排結(jié)合的方案;堆積于邊坡的棄土以攔擋為主,注意排水;堆積于溝邊的棄土建議采用谷坊工程控制土體啟動(dòng)。

(2)確定棄土場(chǎng)規(guī)模及數(shù)量,并及時(shí)采取碾壓措施,增加土體的密實(shí)度,提高土體強(qiáng)度。

(3)擋墻內(nèi)部注意排水,可在擋墻內(nèi)開孔,如50 ×40的方形孔,孔的內(nèi)側(cè)用粗大顆粒填塞,孔的比降采用5%左右,利于排水并防止堵塞。

(4)設(shè)計(jì)需要考慮生態(tài)工程建設(shè)需要,要改變局部框格結(jié)構(gòu),并控制棄土場(chǎng)表面坡度,便于生態(tài)恢復(fù),可以選擇一些藤本植物進(jìn)行示范。

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CHARACTERISTICSAND PREVENTION STRATEGY OF SPOIL DEBRIS FLOW ALONG NEWLY-BUILT PUYANG-HONGKOU HIGHWAY IN EARTHQUAKE-STRICKEN AREA

CU IChun-chun1,CHEN Ning-sheng2,3,WANG Yuan-huan2,3,XIEWan-yin2,3
(1.China Railway 24th Bureau Group Shanghai Railway Construction Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China; 2.Key Lab of Mountain Hazards and Surface Processes,CAS,Chengdu 610041,China; 3.Institute of Mountain Hazards and Environment,CAS,Chengdu 610041,China)

Debris flow s induced by the Wenchuan Earthquake greatly affect the reconstruction in earthquake-stricken area. Puyang-Hongkou highway isone new ly-built in the earthquake-stricken area.A lot of discarding soil is piled up on the slope, w hich may be transferred into debris flow under heavy rains.This phenomenon and hazards are very attractive for researchers. In this paper,the distribution of the sites of discarding soil,the fo rmation and hazards characteristics and controlmeasures are studied.In conclusion,the debris flow s are triggered by 3 types of model:(1)the discarded soil in the gullies is triggered by flood o r liquefied into debris flow s;(2)The discarded soil landslides and the soil on surface liquefied partially into debris flow; (3)the foot of discarded soil at both sides of gullies is eroded and the soil collapses to block,and then bursts to fo rm debris flow s.The hazards appear to be turning over o r destroy the wall,blocking the culvert,covering the road and endangering the residents.When settling dow n this p roblem,it is important to drain,flat the surface and p lant trees.

debris flow;discarding soil;engineering control;highway

P642.23

:A

1006-4362(2010)02-0007-04

崔純純(1974- )男,工程師,都江堰災(zāi)后重建常務(wù)副指揮長(zhǎng),目前主要從事道路規(guī)劃建設(shè)、管理與道路病害整治工作。

2010-03-17改回日期:2010-05-12

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-YW-332),中國(guó)科學(xué)院西部之光聯(lián)合學(xué)者資助項(xiàng)目